CC BY
43
ФИЗИКА
УДК 55G. 388.2
ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ОКРУЖЕНИЯ ЗЕМЛИ НА ВЫСОТАХ СПУТНИКА DEMETER
Ю.Б. Башкуев, Д.Г. Буянова, Д.Б. Аюров, И.Б. Нагуслаева
Отдел физических проблем Бурятского научного центра СО РАН, Улан-Удэ. E-mail: gem@pre s.bscnet.ru
Представлены результаты исследования ионосферных эффектов солнечных затмений 29 марта 200б г. и 1 августа 2008 г. по данным спутника DEMETER. Во время затмений на высотах спутника (~б70 км): в спектрограммах по электрической компоненте отмечено увеличение интенсивности и уширение спектров сигналов ОНЧ-передатчиков на частотах 1б.5б, 17.8, 18.3, 19.8 кГц; зарегистрировано понижение электронной температуры на 200-400K; обнаружены вариации уровня электронной и ионной концентраций, зависящие от широты и обстоятельств затмений.
Ключевые слова: ионосфера, сейсмическая активность, спектрограмма.
CHARACTERISTICS OF THE ELECTROMAGNETIC ENVIRONMENT OF THE EARTH AT SATELLITE DEMETER ALTITUDES Yu.B. Bashkuev, D.G. Buyanova, D.B. Ayurov, I.B. Naguslaeva
Department of Physical Problems of the Buryat Scientific Center of the Siberian Branch of the RAS, Ulan-Ude
Ionospheric display of total solar eclipses of 200б March 29 and 2008 August 1 assessed from the satellite DEMETER data is presented. During solar eclipses at satellite altitude (~б70 km) : increase and spectrum broadening of intensity of VLF trasmitters signals on 1б.5б, 17.8, 18.3, 19.8 kHz are registered; decrease of electron temperature on 200 - 400° K is revealed; variations of level of electron and ion densities considerably depending on latitude and circumstances of eclipses are detected.
Key words: ionosphere, seismic activity, speсtrogram.
В течение последних двух десятилетий благодаря космическим исследованиям получены экспериментальные и теоретические результаты, значительно продвинувшие исследование физических процессов, сопровождающих землетрясения и предшествующие им [1, 2]. Для выявления специфических сейс-моэлектромагнитных эффектов и проведения статистического анализа возмущений от многих источников необходимо проводить комплексные регулярные наземные и спутниковые наблюдения ионосферы в периоды различных геофизических явлений, изучать влияние антропогенной деятельности на электромагнитную обстановку в ионосфере. Одной из научных задач спутника DEMETER является обнаружение аномальных вариаций электромагнитного поля и параметров ионосферной плазмы, которые могут быть связаны с сейсмической активностью. Полученная спутником база данных дает возможность полномасштабного исследования электромагнитного окружения Земли [3, 4]. В настоящее время существует ряд публикаций, в которых рассмотрены и промоделированы эффекты в ионосферной плазме во время затмений Солнца, полученные наземными радиофизическими средствами. Отмечено, что солнечное затмение вызывает комплекс сложных явлений в атмосфере и ионосфере [5-8]. Поэтому исследование процессов в околоземной космической среде во время солнечных затмений с использованием спутниковых данных имеет самостоятельный интерес. В статье представлены результаты исследования ионосферных эффектов полных солнечных затмений 29 марта 2GG6 г. и 1 августа 2GG8 г. по данным спутника DEMETER. Проведен анализ данных электрического датчика ICE в диапазоне G-2G кГц, электронной и ионной концентраций, электронной температуры, полученных инструментом ISL - детектором Лэнгмюра.
Программа DEMETER
Єпутник DEMETER- Detection of Electro-Magnetic Emissions Transmitted from Earthquake Regions был запущен 29 июня 2GG4 г. на круговую полярную орбиту с наклонением -98.3° и высотой -71G км. Спутник разработан в CNES (Centre National d'Etudes Spatiales) и контролируется из Тулузы (Франция) [3, 4].
Научные цели программы DEMETER: исследование возмущений ионосферы, связанных с сейсмической активностью, изучение до и после сейсмических эффектов; изучение ионосферных возмущений, связанных с антропогенной деятельностью и механизмов генерации этих возмущений; получение динамических данных о глобальном электромагнитном окружении Земли на высоте ~ 7GG км. Для достижения этих целей DEMETER измеряет шесть компонент электромагнитного поля в широком диапазоне частот и определяет параметры плазмы: ионный состав, электронную концентрацию и температуру, потоки энер-
гичных электронов. Научное оборудование состоит из пяти инструментов: 1СЕ измеряет три компоненты электрического поля от постоянного тока (ВС) до 3.5 МГц; ШЗС - три магнитных датчика проводят измерения компонент магнитного поля от нескольких Гц до 20 кГц; 1АР - анализатор ионов; ГОР - детектор энергичных частиц; КЬ - детектор Лэнгмюра, измеряет концентрации электронов и ионов в плазме, электронную температуру.
Общие сведения о затмениях Солнца 29 марта 2006 г. и 1 августа 2008 г.
Полное солнечное затмение 29 марта 2006 г. началось в 08 ч 36 мин по всемирному времени (иТ) в Бразилии у восточной оконечности Южной Америки. Тень Луны покинула Бразилию со скоростью 9000 м/с. Наибольшая фаза затмения имела место на Африканском континенте в 10:11:18 ИТ (23° 09^; 16°45'Е), в это время высота Солнца над горизонтом составляла 67°, ширина полосы полного затмения была ~184 км, к этому времени скорость тени на Земле уменьшилась до 697 м/с. Закончилось затмение на заходе Солнца в 11 ч. 48 мин на территории Монголии вблизи границы с Россией. Частные фазы затмения наблюдались в широкой полосе от Северного полюса до южной части Африканского континента. Полное солнечное затмение 1 августа 2008 г. началось на севере Канады в 09:21 ИТ и продолжилось через северную Гренландию, Арктику, центральную Россию, Монголию и Китай. Полутень от Луны охватила северо-восток Северной Америки и почти всю Европу и Азию. Затмение закончилось в 11:21 ИТ на территории Китая. Момент наибольшей фазы произошел в 10:21:07 ИТ (65°39К, 72°18'Е), в это время максимальная длительность затмения была 2 мин 27 с., высота Солнца была 34°, ширина дорожки полной фазы составляла 237 км, скорость тени - 908 м/с [9]. Геомагнитная активность в периоды обоих затмений была низкой, вариации индекса геомагнитной активности Кр не превышали 2 [10].
Результаты наблюдений и обсуждение
В статье даны результаты измерений электромагнитного поля в диапазоне ОНЧ и некоторых плазменных параметров в период солнечных затмений на борту спутника БЕМЕТЕЯ. Выполнены качественный анализ и сравнение полученных данных с работами других авторов, которые проводили наземные и спутниковые наблюдения верхней ионосферы. На рис. 1 показаны обстоятельства затмения 29 марта 2006 г. на 9:00 ИТ с полуорбитой спутника БЕМЕТЕЯ 09253_0 (а) и на 10:00 ИТ с полуорбитой 09254_0 (б). Спутник находился вблизи области затмения примерно в 08:50 ИТ (полу-орбита 09253_0), на следующем витке он пересек область затмения в период времени от 10:05 до 10:20 ИТ (рис. 1 б) [4, 9].
Существует несколько механизмов, которые могут привести к заметным изменениям уровня поля в периоды различных геофизических явлений и затмений Солнца:
а) б)
N
Рис. 1. Обстоятельства затмения 29 марта 2006 г. на 9:00 ИТ с полуорбитой 09253_0 (а) на 10:00 ИТ с полуорбитой 09254_0 (б)
а)
б)
в)
Рис. 2. Спектрограммы по электрической компоненте в диапазоне 0-20 кГц: а) 09253_0 (29.03.08, в ~8:45-8:55 орбита проходит вблизи области затмения); б) 09254_0 (29.03.08, в —10:07-10:17 орбита проходит в области полутени); в) 21827_0 (1.08.08, в —10:18-10:28 орбита проходит вблизи области затмения).
В таблице 1 даны частоты и координаты ОНЧ радиостанций Восточного полушария [2]. Существует несколько механизмов, которые могут привести к заметным изменениям уровня поля в периоды различных геофизических явлений и затмений Солнца:
— дифракция волн на затененной области. В определенных условиях куполообразное возмущение ионосферы может сыграть роль собирательной линзы, фокусируя сигнал на значительных расстояниях от лунной тени [5];
— взаимодействие потоков высыпающихся частиц с излучениями радиопередающих устройств в зависимости от геофизических условий может приводить к усилению и частотному уширению излучений [11];
— движение лунной тени со сверхзвуковой скоростью приводит к образованию ионосферных возмущений, которые могут быть откликом на ионосферное проявление акустико-гравитационных волн. В околоземной плазме образуются нестабильные образования, обусловленные вариациями электронной и ионной концентраций и температур из-за изменения излучения Солнца и ударной волной, которые могут вызвать нестационарные процессы в плазме [7].
Таблица 1
Частота, кГ ц Место расположения Долгота Широта
11,9; 12,64; 14,88 Краснодар, Россия 38,39 45,02
11,9; 12,64; 14,88 Новосибирск, Россия 82,58 55,04
11,9; 12,64; 14,88 Комсомольск на Амуре, Россия 136,58 50,34
16,56 БГУ, Германия 13,0 52,5
17,8 ЛР, Южная Япония —130 —32
18,3 ОТТ, Франция 1,05 46,37
19,8 КШС, Австралия 114,08 -21,47
Затмение 29.03.06. г проходило в двух поясах: экваториальном (±30°) и среднеширотном поясе северного полушария (30°^65°), затмение 1.08.08 г. проходило в средних и высоких широтах северного полушария (30°^75°). Рассмотрим вариации ионосферной плазмы, полученные с помощью детектора Лэнгмюра (КЬ) на высотах спутника БЕМЕТЕЯ (—670 км). В период затмения 29.03.06 г. в среднеширотном северном поясе отмечено постепенное понижение уровня ионной концентрации К! (см-3) на 15-20%. В экваториальном поясе (+30°+- -30°) спутником регистрируется особенность ионизации экваториального пояса - максимум ионной концентрации (рис. 3а, 3б). Во время затмения в этом поясе имело место увеличение уровня максимума на —40%, которое через —1,5 ч. вернулось к исходному состоянию.
Рис 3. Ионная концентрация - К; (см- ) на высоте — 670 км: а) 09253_0 (29.03.08, в —8:45-8:55 орбита проходит вблизи области затмения); б) 09254_0 (29.03.08, в —10:07-10:17 орбита проходит в области полутени); в) 21827_0 (1.08.08, в —10:18-10:28 орбита проходит вблизи области затмения)
Оно может быть связано с тем, что реакция ионосферы на изменение потока УФ-излучения определяется постоянными времени ионизации и рекомбинации порядка часа [12]. В период затмения
1.08.08 г. при пролете спутника вблизи области солнечного затмения в северном полушарии отмечены вариации ионной концентрации N : на 40-50° N значения N увеличились с 2,104 до 3,104 см-3, в то время как на 50-60° N отмечено понижение N с (2-3), 104 до (1 -2), 104 см-3 (рис. 3в). По данным работы [8], при исследовании верхней ионосферы во время затмения 29 марта 2006 г. с помощью радара некогерентного рассеяния (49,6°К; 36,3°Е) отмечено увеличение относительной концентрации ионов водорода на 25 и 20% на высотах 900 и 1200 км. По мнению авторов, оно явилось результатом усиления потока частиц из плазмосферы в ионосферу, значительный вклад в увеличение нисходящего потока плазмы вносит поток заряженных частиц за счет амбиполярной диффузии. а) ____________б)______________ в)
Рис 4. Электронная концентрация - № (см-3) на высоте — 670 км: а) 09253_0 (29.03.08, в —8:45-8:55 орбита проходит вблизи области затмения); б) 09254_0 (29.03.08, в —10:07-10:17 орбита проходит в области полутени);
в) 21827_0 (1.08.08, в —10:18-10:28 орбита проходит вблизи области затмения).
Во время затмения 29 марта 2006 г. в среднеширотном поясе северного полушария значения электронной концентрации не изменились, вариации N находились пределах (1,7-2)104 см-3. После его окончания в среднеширотном и экваториальном поясах отмечено понижение N на —20%, зарегистрировано исчезновение максимума экваториальной аномалии электронной концентрации (рис. 4а,б), которая произошла в экваториальной области Земли в равноденственный период, в то время как затмение 1.08.2008 г. происходило в высоких и средних широтах в летнее время. По дан-
ным наземного зондирования ионосферы [7, 8], во время затмения 29.03.2006 г. выявлено уменьшение концентрации электронов на высотах Б2-слоя ионосферы (250-400 км) на 15% 30%.
Данные спутника БЕМЕТЕЯ показали, что в экваториальном и среднеширотном поясах до и после затмения 29.03.2006 г. электронная температура Те составляла ~2500-2550°К и 3500-3600°К соответственно. Во время затмения в экваториальном поясе отмечена минимальная электронная температура ~2150°К, на 40°-50° северной широты зарегистрировано понижение электронной температуры на ~200-300°К (рис. 5 а,б). Во время затмения 1.08.2008 г. также отмечено понижение электронной температуры в среднем на ~200°К.
В работе [8] отмечено понижение электронной температуры в области Б ионосферы на 150-300°К. В обоих случаях уменьшение температуры было малоинерционным. Изменение Те в период затмения и после его окончания связано с изменением интенсивности солнечного излучения, которое ионизирует ионосферу и влияет на термосферу, изменяя температуру и общую концентрацию верхней атмосферы [12].
а) б) в)
Рис 5. Электронная температура - Те(К) на высоте ~ 670 км: а) 09253_0 (29.03.08, в ~8:45-8:55 орбита проходит вблизи области затмения); б) 09254_0 (29.03.08, в ~10:07-10:17 орбита проходит в области полутени); в) 21827_0 (1.08.08, в ~10:18-10:28 орбита проходит вблизи области затмения). В период затмения 1.08.2008 г. значения электронной концентрации N. увеличились с 7,103 до ~104 см-3 (рис 4 в).
Заключение
Сравнение эффектов в ионосферной плазме во время затмений Солнца 29 марта 2006 г. и 1 августа 2008 г., по данным спутника БЕМЕТЕЯ, показало:
— во время обоих затмений отмечено увеличение интенсивности и уширение спектров сигналов ОНЧ-передатчиков;
— во время обоих затмений зарегистрировано понижение электронной температуры на 200°К-400°К;
— обнаружены вариации уровня ионной и электронной концентраций, значительно зависящие от широты и обстоятельств затмений.
При интерпретации спутниковых спектрограмм, а также вариаций электронной и ионной концентрации и температуры необходимо учитывать сезонные и широтно-долготные вариации ионосферных параметров, так как они имеют широтное районирование и зависят от сезона года. Большая часть затмения - 29.03.2006 г. Отличие изменений в ионосфере в периоды обоих затмений можно объяснить тем, что уменьшение потока солнечного излучения во время затмения вызывает изменение баланса между процессами ионизации и переноса заряженных частиц в ионосферной плазме, а также различием обстоятельств затмений. Неравномерно освещенная область затмения занимает большие пространственные масштабы, поэтому на уровень изменений в ионосфере в значительной степени влияют обстоятельства затмения: фаза, время начала и конца, продолжительность, зенитный угол Солнца, скорость и геометрия трассы перемещения полутени.
Авторы выражают благодарность Французскому космическому агентству (Centre National d’Etudes Spatiales-CNES) и Французскому центру научных исследований (Centre National de la Recherche Scientifique — CNRS) за данные спутника DEMETER, получаемые нами в качестве приглашенных исследователей.
Статья подготовлена при финансовой поддержке Междисциплинарного интеграционного проекта СО РАН №s56 и гранта РФФИ №08-02-98007).
ЛИТЕРАТУРА
1. Липеровский В.А., Похотелов О.А., Шалимов С.Л. Ионосферные предвестники землетрясений. - М.: Наука, 1992. - 304 с.
2. Molchanov O.A., Hayakawa M. Seismo-electromagnetics and related phenomena: History and latest results. -Terra sci. Publ. Comp. - Tokyo, 2008. - 189 р.
3. Parrot M., Berthelier J.J., Lebreton J.P. and etc. Examples of unusial ionospheric observation made by the DEMETER satellite over seismic regions // Physics and Chemistry of the Earth: Elsevier. - 2006. - V.31. - P. 486-495.
4. http: // demeter. cnrs-orleans.fr
5. Безродный В.Г., Блиох П.В., Шубова Р.С., Ямпольский Ю.М. Флуктуации сверхдлинных радиоволн в волноводе Земля-ионосфера. - М.: Наука, 1984. - 143 с.
6. Башкуев Ю.Б., Хаптанов В.Б. Цыдыпов Ч.Ц., Буянова Д.Г. Естественное электромагнитное поле в Забайкалье. - М.: Наука, 1989. - 112 с.
7. Афраймович Э.Л., Воейков С.В., Водяников В.В. и др. Ионосферные эффекты солнечного затмения 29 марта 2006 г. в Средней Азии // Труды IX конф. молодых ученых БШФФ-2006. - Иркутск: Изд-во ИСЗФ СО РАН, 2006. - С. 101-103.
8. Григоренко Е.И., Ляшенко М.В., Черногор Л.Ф. Эффекты в ионосфере и атмосфере, вызванные солнечным затмением 29 марта 2006 г. // Геомагнетизм и аэрономия. - 2008. - Т.48, №3. - С. 350-364.
9. http://eclipse.gsfc.nasa.gov/eclipse.html/
10. http://spidr.ngdc.noaa.gov/spidr/
11. http://www.kosmofizika.ru/izmiran/molchanov.htm
12. Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А. А. Физика ионосферы. - М.: Наука, 1988. - 527 с.
УДК 621.371
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭЛЕКТРОМЕТРИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВОДНОЙ СРЕДЫ РЕКИ СЕЛЕНГА, ЕЕ ПРИТОКОВ И АКВАТОРИИ ОЗЕРА БАЙКАЛ
Ю.Б. Башкуев, В.Б. Хаптанов, М.Г. Дембелов, Д.Г.Буянова
Отдел физических проблем Бурятского научного центра СО РАН, Улан-Удэ. E-mail: gem@pre s.bscnet.ru
Рассмотрены данные кондуктометрических исследований водной среды р. Селенга и акватории оз. Байкал. Установлена существенная изменчивость удельного электрического сопротивления (УЭС) в различных пунктах взятия проб воды из-за различной ее минерализации. Отмечено низкое УЭС грунтовых вод, взятых из колодцев, расположенных в районе дельты р. Селенга.
Ключевые слова: удельное электрическое сопротивление, акватория, озеро Байкал.
RESULTS OF ELECTROMETRIC RESEARCHES OF THE WATER ENVIRONMENT OF THE SELENGA RIVER, ITS INFLOWS AND LAKE BAIKAL WATER AREA Yu.B. Bashkuev, V.B. Khaptanov, M.G. Dembelov, D.G. Buyanova
Department of Physical Problems of the Buryat Scientific Center of the Siberian Branch of the RAS, Ulan-Ude
Сonductive fluid probe data of the river Selenga and the lake Baikal water environments is considered. Essential variability of specific electric resistance (CER) in various points of water sampling call forth its various mineralization is established. Low CER of the subterranean waters, taken from wells, located around delta Selenga it is noted.
Key words: specific electric resistance, water area, lake Baikal.
Задачей тематической группы проекта «Дельта Селенги - естественный фильтр Байкала» лаборатории геоэлектромагнетизма ОФП БНЦ СО РАН было исследование электромагнитных процессов и явлений в дельте реки Селенга и прилегающей акватории озера Байкал на основе комплексного, синхронного и долговременного контроля гидросферы, литосферы и атмосферы дельты и прибрежной зоны с целью разработки радиофизических индикаторов состояния экосистемы дельты реки Селенга. Под радиофизическими индикаторами состояния мы понимаем тесно связанные с условиями окружающей среды физические величины (удельная электропроводность, диэлектрическая и магнитная проницаемости, температура, плотность и т.д.), отображающие количественные характеристики контролируемых процессов и явлений, протекающих в дельте реки Селенга и озерных водоемах. Выделены следующие характеристики природных сред:
